王重言
(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063210)
鈦酸鋇鐵電陶瓷是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種性能卓越的介電材料,即便其發(fā)展時(shí)間較短,但其具有卓越的壓電性能、介電性能及熱釋電性等,使其一躍成為功能陶瓷領(lǐng)域內(nèi)極為重要的組成部分,并且其作為電子陶瓷元器件的基礎(chǔ)材料,推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。近些年,全球電子工業(yè)發(fā)展迅速,其高性能、高精度、小型化的特點(diǎn)對(duì)主要原料提出了更高的要求,這無形中也對(duì)鈦酸鋇鐵電陶瓷的發(fā)展也提出了較高要求[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中,要求鈦酸鋇鐵電陶瓷粉體超細(xì)、超純,并對(duì)主要原料摻雜改性技術(shù)方面不斷完善。
鈦酸鋇鐵電陶瓷材料的常用制備方法有固相合成法、液相合成法兩大類。針對(duì)每個(gè)大類的合成方法下面還包含了諸多支路,其具體操作各具特色。
傳統(tǒng)固相合成法是一種常用的合成方法,但是由于該方法年代久遠(yuǎn),因此所制備的產(chǎn)物粉體純凈度較低,且回收顆粒物體積大、化學(xué)活性較差,所以當(dāng)前工業(yè)上使用該方法生產(chǎn)鈦酸鋇粉效果較差。尤其是在電子產(chǎn)業(yè)中,對(duì)元件性能要求高,需要可靠、固態(tài)化、多功能性、多層化等高要求的元件。面對(duì)此趨勢(shì),經(jīng)過改進(jìn)后的液相合成法可以達(dá)到較好的效果,液相合成法包括凝膠法、化學(xué)沉淀法、水熱合成法等。由于這些方法合成溫度要求低且其各組分是在分子水平合成的,所以該方法制備出來得純鈦酸鋇粉產(chǎn)物具有結(jié)晶性好、組成均勻、粒徑可控、無團(tuán)聚、純度極高等優(yōu)勢(shì),可充分發(fā)揮元器件的電子性能。
鈦酸鋇鐵電陶瓷在金屬鎂摻雜情況下,對(duì)其材料的煅燒溫度、材料結(jié)構(gòu)以及其介電性能均有顯著改變。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
通過觀察煅燒溫度方面可以發(fā)現(xiàn),第一段下降且下降較快,是因?yàn)橹饕獨(dú)堄嗨趾腿軇┱趽]發(fā);第二階段是主要?dú)堄嘤袡C(jī)物的燃燒和分解;第三階段則是鈦酸鋇的分解[2],同時(shí),下降較緩慢正是因?yàn)殁佀徜^由立方相向六方相轉(zhuǎn)變的相變發(fā)生生階段,其具體變化如圖1所示。
圖1 鈦酸鋇煅燒曲線
摻雜后的瓷體擁有細(xì)晶結(jié)構(gòu)和足夠高的致密度,鎂離子會(huì)凝在晶界上,使雜質(zhì)在晶界或晶界附近富集,阻礙晶界移動(dòng),阻礙晶粒生長(zhǎng),有利于鈦酸鋇陶瓷的細(xì)晶高致密結(jié)構(gòu),從而也提升了其介電性能,如圖2所示。
圖2 摻雜前后鈦酸鋇陶瓷表面對(duì)比圖
水熱法是在一定的封閉反應(yīng)容器里,配置專用溶液作為反應(yīng)介質(zhì),給反應(yīng)容器一個(gè)適宜溫度,創(chuàng)造高溫高壓的反應(yīng)條件,主要反應(yīng)物均為難溶或者不溶物質(zhì)。并且在此條件下,也可以溶解并重新結(jié)晶。工業(yè)中最常用的水熱合成法,主要是將原料金屬離子按照電中性原則配比制備成反應(yīng)前驅(qū)體,再向反應(yīng)液中加入一定量的強(qiáng)堿性溶劑來調(diào)節(jié)反應(yīng)液的酸堿度,之后再將配置好的反應(yīng)液前驅(qū)體加入到反應(yīng)容器中,將之加熱到適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度,提供相應(yīng)的壓強(qiáng),提供足夠所需的反應(yīng)時(shí)間使其充分反應(yīng)[3],合理利用原料;將所得產(chǎn)物粉體進(jìn)行過濾,洗滌,進(jìn)行烘干處理,即可得到納米多晶粉體。這種水熱反應(yīng)制備出的產(chǎn)物,形態(tài)為立方形的產(chǎn)物即為立方相鐵酸鋇,其反應(yīng)時(shí)間最大程度上被縮短,能夠提高制備效率;另外,通過對(duì)其生成產(chǎn)物的機(jī)理進(jìn)行研究[4],加以對(duì)內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的掃描和固相動(dòng)力學(xué)的分析,能夠從兩方面證實(shí)其形成溶解沉淀機(jī)制的可靠性。
從整體來看,鈦酸鋇鐵電陶瓷的合成制備技術(shù)已經(jīng)較為成熟,但對(duì)控制微粒形態(tài)及粒度分布等技術(shù)還稍顯薄弱。另外在提高生產(chǎn)率方面,高質(zhì)量且低成本的工業(yè)化設(shè)備技術(shù)需要進(jìn)一步提高。并且,在未來需要更加完善與深入研究納米鈦酸鋇實(shí)用化技術(shù),從而提高對(duì)鈦酸鋇鐵電陶瓷性能測(cè)試和表征技術(shù)的水平。